1、目錄目錄 11 .系統設計思路與總體方案21.1 設計思路與流程圖 22 .Multisim軟件的簡介32.1 Multisim 概貌及特點 33.555 定時器， CD4518 和 CD4011 介紹 7.1.1 555 定時器 71.2 CD4518 引腳功能 1.11.3 CD4011 引腳圖 1.24 . 數字邏輯，振蕩器，計數器和顯示電路圖 144.1 數字邏輯模塊 1.44.2 振蕩器模塊 1.44.3 計數器模塊1.94.4 顯示器模塊2.05 . 電路的總體設計與調試205.1 總體電路原理圖 2.05.2 總體電路工作原理2.16 .課程設計感受 226.1 課程設計中的收獲

2、和體會2.27 .附錄與文獻247.1 附錄 2.47.2 參考文獻 2.51 .系統設計思路與總體方案1.1 設計思路與流程圖根據任務書可以知道本課題是一個2 位數字顯示計數器， 是一個十進制計數器組合， 本質上就是一計時器。 通過一個時基電路產生一定頻率脈沖， 將脈沖信號輸入低位的計數器輸入端， 通過一級級的進位， 從而達到計數。 從而完成此課題，我們可以將這整個計數系統，分為幾個模塊進行分析。（ 1） .數字邏輯控制模塊。通過使用門電路來控制計時器進位及清零。（ 2） .脈沖信號產生模塊。由一個振蕩電路來產生一個固定頻率的脈沖信號，作為計時器的時基信號。（ 3） .計時數計數模塊。接收計

3、時及中斷信號脈沖，從而控制計數器計數，且有清零功能，該模塊選用十進制計數器。（ 2） .譯碼顯示模塊。該模塊要顯示 00 到 99 的數字，選用十進制計數器的基礎上，通過它們之間的級聯，最終顯示相應數字。該數字式定時器，需要用到 555 定時器，由此產生振蕩信號，在數字邏輯電路的控制下，由計數器計數，最后在數碼管上顯示出來，畫為流程圖如下：Word 文檔Word文檔圖1.1-1 :總體方案流程圖2.Multisim軟件的簡介2.1 Multisim概貌及特點Multisim是美國儀器（NI）有限公司推出的以 Windows為基礎的仿真工具,適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原

4、理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。圖2.1-1 : Multisim 工作界面工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了 SPICE仿真的復雜容，這樣工程師無需懂得深入的SPICER術就 可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論 到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。目前在各高校教學中普遍使用 Multisim10.0 ,網上最為普遍的是 Multisim 10.0, NI于

5、2007年08月26日發行NI系列電子電路設計軟件，NI Multisim v 10作 為其中一個組成部分包含于其中。EDA （就是“Electronic Design Automation ”的縮寫）技術已經在電子設計 領域得到廣泛應用。發達目前已經基本上不存在電子產品的手工設計。一臺電子產品的設計過程，從概念的確立，到包括電路原理、PCB版圖、單片機程序、機結構、FPGA的構建及仿真、外觀界面、熱穩定分析、電磁兼容分析在的物理級 設計，再到PCB鉆孔圖、自動貼片、焊膏漏印、元器件清單、總裝配圖等生產 所需資料等等全部在計算機上完成。EDA技術借助計算機存儲量大、運行速度快 的特點，可對設計

6、方案進行人工難以完成的模擬評估、設計檢驗、設計優化和數 據處理等工作。EDA已經成為集成電路、印制電路板、電子整機系統設計的主要 技術手段。美國NI公司（美國儀器公司）的 Multisim 9軟件就是這方面很好的 一個工具。而且Multisim 9計算機仿真與虛擬儀器技術 （LABVI EW 8）（也是美國 NI公司的）可以很好的解決理論教學與實際動手實驗相脫節的這一老大難問題。 學員可以很好地、很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現出 來。并且可以用虛擬儀器技術創造出真正屬于自己的儀表。極大地提高了學員的學習熱情和積極性。真正的做到了變被動學習為主動學習。 這些在教學活動中已 經

7、得到了很好的體現。還有很重要的一點就是：計算機仿真與虛擬儀器對教員的 教學也是一個很好的提高和促進。NI Multisim軟件結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。憑借NI Multisim ,您可以立即創建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業標準SPICE真擬器模仿電路行為。借助專業的高級SPICE 分析和虛擬儀器，您能在設計流程中提早對電路設計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環。與NI Lab VIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術的 設計流程，從而能夠比較具有模擬數據的實現建模測量。Multisim 是 Interactiv

8、e Image Technologies （Electronics Workbench ） 公司推 出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。 它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。為適應不同的應用場合，Multisim推出了許多版本，用戶可以根據自 己的需要加以選擇。在本書中將以教育版為演示軟件，結合教學的實際需要，簡要地介紹該軟件的概況和使用方法，并給出幾個應用實例。EDA軟件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的準確性都直接決定了 該EDA軟件的質量和易用性。Multisim為用戶提供了豐富的元器件，并以開放

9、的形式管理元器件，使得用戶能夠自己添加所需要的元器件。Multisim 以庫的形式管理元器件，通過菜單 Tools/ Database Management 打開Database Management （數據庫管理）窗口（如下圖所示），對元器件庫進 行管理。在 Database Management窗口中的 Daltabase列表中有兩個數據庫： Multisim Master和User。其中Multisim Master庫中存放的是軟件為用戶提供的 元器件，User是為用戶自建元器件準備的數據庫。用戶對 Multisim Master數據 庫中的元器件和表示方式沒有編輯權。當選中 Multi

10、sim Master時，窗口中對庫的編輯按鈕全部失效而變成灰色，如下圖所示。但用戶可以通過這個對話窗口中 的Button in Toolbar顯示框，查找庫中不同類別器件在工具欄中的表示方法。在Multisim Master中有實際元器件和虛擬元器件，它們之間根本差別在于： 一種是與實際元器件的型號、參數值以及封裝都相對應的元器件， 在設計中選用 此類器件，不僅可以使設計仿真與實際情況有良好的對應性，還可以直接將設計導出到Ultiboard中進行PCB的設計。另一種器件的參數值是該類器件的典型值， 不與實際器件對應，用戶可以根據需要改變器件模型的參數值，只能用于仿真， 這類器件稱為虛擬器件。它

11、們在工具欄和對話窗口中的表示方法也不同。在元器件工具欄中，雖然代表虛擬器件的按鈕的圖標與該類實際器件的圖標形狀相同， 但虛擬器件的按鈕有底色，而實際器件沒有。NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件。作為 Windows下運行的個人桌面電子設計工具，NI Multisim是一個完整的集成化設計環境。NI Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學 與實際動手實驗相脫節的這一問題。學員可以很方便地把剛剛學到的理論知識用 計算機仿真真實的再現出來，并且可以用虛擬儀器技術創造出真正屬于自己的儀 表。NI Multisim軟件絕對是電子學教學的首選

12、軟件工具。Multisim的特點可以根據自己的需求制造出真正屬于自己的儀器；所有的虛擬信號都可以通過計算機輸出到實際的硬件電路上；所有硬件電路產生的結果都可以輸回到計算機中進行處理和分析。3.555定時器，CD4518和CD4011介紹3.1 555定時器555定時器是一種數字電路與模擬電路相結合的中規模集成電路。該電 路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構成單穩態觸發器和多諧振 蕩器等，因而廣泛用于信號的產生、變換、控制與檢測。555定時器產品有TTL型和CMOS型兩類。TTL型產品型號的最后三位 都是555, CMOS型產品的最后四位都是7555,它們的邏輯功能和外部引線排列 完

13、全相同。555定時器的電路如圖9-28所示。它由三個阻值為5k?的電阻組成的分 壓器、兩個電壓比較器 C1和C2、基本RS觸發器、放電晶體管T、與非門和反 相器組成。555定時器（又稱時基電路）是一個模擬與數字混合型的集成電路。555定時器是一種應用極為廣泛的中規模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構成單穩、多諧和施密特觸發器。因而廣泛用于信號的 產生、變換、控制與檢測。目前生產的定時器有雙極型和 CMOS兩種類型，其型號分別有 NE555（或 5G555）和C7555等多種。它們的結構及工作原理基本相同。 通常，雙極型定時器 具有較大的驅動能力，而 CMOS定時器具

14、有低功耗、輸入阻抗高等優點。555定 時器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的負載電流。雙極型定時器電源電壓圍 為516V,最大負載電流可達200mA; CMOS定時器電源電壓圍為318V,最 大負載電流在4mA以下。555的弓唧圖如圖3,功能如下：Pin 1 （接地）-地線（或共同接地），通常被連接到電路共同接地。Pin 2 （觸發點）-這個腳位是觸發NE555使其啟動它的時間周期。觸發信號上緣電 壓須大于2/3 VCC,下緣須低于1/3 VCC 。Pin 3 （輸出）-當時間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高 電位。周期的結束輸出回到 O伏左右的低電位。于高電位時的最

15、大輸出電流大 約 200 mA 。Pin 4 （重置）-一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個 低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。Pin 5 （控制）-這個接腳準許由外部電壓改變觸發和閘限電壓。當計時器經營在穩 定或振蕩的運作方式下，這輸入能用來改變或調整輸出頻率。Pin 6 （重置鎖定）-Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態。當這個接腳的電壓從 1/3 VCC 電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。Pin 7 （放電）-這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當輸出為 ON 時為LOW,對地為低阻抗,當輸出為 OFF時為HIGH,對地為高阻抗。Pin 8 （V

16、 +）-這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應電壓的圍是 +4.5伏特（最 小值）至+16伏特（最大值）。555的部電路和功能：圖3.1-1 : 555定時器原理圖圖3.1-2 : 555定時器引腳圖上面圖是555定時器部組成框圖。它主要由兩個高精度電壓比較器A1、A2,一個RS觸發器，一個放電三極管和三個5KQ電阻的分壓器而構成。分壓器為兩個電壓比較器 C1、C2提供參考電壓。如5端懸空，則比較器C1的參考電壓為，加在同相端；C2的參考電壓為，加在反相端。Rd是復位輸入端。當RD=0時，基本RS觸發器被置0,晶體管T導通，輸出端u0為低電平。正常工作時，RD =1 ou11和u12分別為

17、6端和2端的輸入電壓。2、，1,cVccJcc當u11 3, u123 時，C1輸出為低電平，C2輸出為局電平，基本RS觸發器被置0,晶體管T導通，輸出端u0為低電平。21八 Vcc-Vcc當u11 3, u12 3 時，C1輸出為高電平，C2輸出為低電平，基本RS觸發器被置1,晶體管T截止，輸出端u0為高電平。2 V當 u11 3VCC1 VCC、一 u12 3 時，基本RS觸發器狀態不變，電路亦保持原 狀態不變。綜上所述，在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器 A1、A2基準電壓分別2、，1、，一 V CC , 八 VCC為33的情況下，其功能如下表:輸 入輸出復位商P%u15輸出土晶體管

18、T10XX0導通1%0導通13n£ 3 E1截止1一% '3 Ey-Urc )3 rr保持保持表3.1-1 : 555定時器功能表3.2CD4518引腳功能TOP VIEW叵叵巨叵臣叵叵叵 aaaaas Q1W m metvsCLOCK AENABLE Aw voo 日 RESETS 到040 回QJB 回Q2B 可Q愷 ENAQLL B T1CLOCK B圖3.2-1 : CD4518弓 I腳CD4518是一個雙BCD同步加計數器，由兩個相同的同步4級計數器組成CD4518引腳功能（管腳功能）如下：1CP、2CP:時鐘輸入端。1CR、2CR:清除端。1EN、2EN:計數允許

19、控制端。1Q01Q3:計數器輸出端。2Q02Q3:計數器輸出端。Vdd:正電源。Vss：地。CD4518是一個同步加計數器，在一個封裝中含有兩個可互換二 /十進制計數 器，其功能引腳分別為17和915.該CD4518計數器是單路系列脈沖輸入（1 腳或2腳；9腳或10腳），4路BCD碼信號輸出（3腳6腳；11腳14腳）。CD4518控制功能：CD4518有兩個時鐘輸入端CP和EN,若用時鐘上升沿觸發, 信號由CP輸入，此時EN端為高電平（1）,若用時鐘下降沿觸發，信號由EN輸入 此時CP端為低電平（0）,同時復位端Cr也保持低電平（0）,只有滿足了這些條 件時，電路才會處于計數狀態.否則沒辦法工

20、作。將數片CD4518用行級聯時，盡管每片 CD4518屬并行計數，但就整體而言 已變成串行計數了。需要指出，CD4518未設置進位端，但可利用 Q4做輸出端。 有人誤將第一級的Q4端接到第二級的CP端，結果發現計數變成“逢八進一” 了。 原因在于Q4是在CP8乍用下產生正跳變的，具上升沿不能作進位脈沖，只有其 下降沿才是“逢十進一”的進位信號。正確接法應是將低位的Q4端接高位的EN端, 高位計數器的CP端接USS。3.3 CD4011引腳圖IB tY 2Y 2A 鋁E 匚 匚C1413121110VSs Q7Vg4B4A4¥3Y3B3A圖3.3-1芯片功能圖圖3.3-2引腳圖管腳功

21、能：1A數據輸入端2A數據輸入端3A數據輸入端4A數據輸入端1B數據輸入端2B數據輸入端3B數據輸入端4B數據輸入端1Y數據輸出端2Y數據輸出端3Y數據輸出端4Y數據輸出端門表iA式邏輯圖功能表與非Y=A XB 的U1AABY門逆4O11BD_SV001011101110表3.3-1 :邏輯表達式VDD電源正VSS地VDD 電壓圍：一0.5V to 18 V功耗：雙列普通封裝 700mW小型封裝 500mW工作溫度圍： CD4011BM -55 C - +125 C CD4011BC -40 C - +85 C4 .數字邏輯，振蕩器，計數器和顯示電路圖4.1 數字邏輯模塊R1 1kDC1470

22、nF4011 肛 5VU2C H 4011BD 5VKey - DJ12Bx>4011BD_5VR9VA 10kQ圖4.1-1 :數字邏輯電路在點擊綠色箭頭開始，電容開始充電，此時 J1按下時，電阻下端 5為低電平，電容下 端6為低電平，繼而U2B端為低電平；如果此刻按下J2,則7端為低電平，發出脈沖到U2B, 而5和6輸出低電平到與非門 U2A , U2A輸出高電平到U2B,此時0和1輸入到與非門U2B , 繼而U2B輸出高電平。4.2 振蕩器模塊振蕩器是計時器的核心，振蕩器的穩定度和頻率的精確度決定了計時器的準確度。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度就越高，但耗電量將越大。所以,在

23、設計電路時要根據需要而設計出最佳電路(a)電路圖(b)波形圖圖4.2-1 :多諧振蕩器振蕩周期等于兩個暫穩態的持續時間。第一個暫穩態時間tp1為電容C的電壓uc從充電至所需時間t pl =R2Cln2 =0.7R2c(1-2)第二個暫穩態時間tp2為電容C的電壓從放電至所需時間tpH=(R1+R2)Cln2 =0.7(R1+R2)C(1-3)參數計算：T t1 t2 0.7 R1 R2 c 0.7R2C 0.7(R1 2R2)C改變R1、R2和C的值，就可以改變振蕩器的頻率。如果利用外接電路改變CO端(5號端)的電位，則可以改變多諧振蕩器高觸發端的電平，從而改變振蕩周期To在實際應用中，常常需

24、要調節t1和t2。在此，引進占空比的概念。輸出脈沖 的占空比為:tiRi R2qt1 t2R1 2R2在本設計中，采用的是精度不高的，由集成電路 555與RC組成的多諧振蕩器。其具體電路如下圖2所示；這里555振蕩電路制作秒脈沖獲得100Hz的秒脈沖信號。其電路簡單并且頻率穩定，如圖2,輸出頻率為100Hz圖4.2-2 :振蕩器電路接通電源后，電容C3被充電，vc上升，當vc上升到大于2/3Vcc時，觸發器被復 位，放電管T導通，止匕時V0為低電平，電容C3通過R和T放電，使vc下降。當vc下降到小于1/3Vcc時，觸發器被置位，V。翻轉為高電平。電容器C3放電結束,所需的時間為tPL -0

25、7月/0-l/37rr當C3放電結束時，T截止，Vcc將通過R、R2向電容器C3充電，Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的時為：/ -1/空兒二（寸&）。=宣二困+ &）超他咽+嬌當Vc上升到2/3Vcc時，觸發器又被復位發生翻轉，如此周而復始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為1 如 1.43£陽+如因+ 282本設計中，由電路圖和f的公式可以算出，微調 R10=4.3k, R11=5k左右，其輸出的頻率為f=100Hz.下圖是該振蕩頻率波形圖：圖4.2-3 :振蕩器輸出波形圖4.3計數器模塊5V U10AESI 蠣AIB IC ID4518BD 5Vv

26、cfevR810kQM4rmi1489圖4.3-1 :計數器電路CD4518有兩個時鐘輸入端 CP和EN若用時鐘上升沿觸發，信號由CP輸入, 此時EN端為高電平（1）,若用時鐘下降沿觸發，信號由EN輸入，此時CP端為低 噸平（0）,同時復位端Cr也保持低電平（0）,將數片CD4518申行級聯時，盡管 每片CD4518屬并行計數，但就整體而言已變成串行計數了，將低位的Q4端接高位的EN端，高位計數器的CP端接USS,電路處于計數狀態。4.4顯示器模塊U10B451SBD_5VVCCli'lEll?!U4DCD HEXVC=R6>10kOIL K21t-圖4.4-1 :顯示器電路該數

27、碼管接收到計數器的信號，并將其顯示出來。此處加了兩個1N4148極管，控制其進位，最大數出值為1001=9 ,所以該數碼管的輸出為從0到95 .電路的總體設計與調試5.1 總體電路原理圖由第三章介紹的電路各個部分的子電路構成的各個部分的功能，可以清楚的知道了總體的電路情況。下面圖就時本設計的總體電路：>R1 C1Ikn圖5.1-1 :總體電路原理圖5.2 總體電路的工作原理本課程設計要求利用多種數字邏輯芯片、555定時器和數碼管設計一個數字 式計時器電路，并且計時時間為99個脈沖信號。要求555定時器產生100Hz的 多諧波信號。對于電路的控制方面還要求電路具有計時時間到后自動停止和開關

28、 按下后重新開始從0計時。5.2.1 555定時器原理針對要求，首先我設計了一個由LM555CM芯片組成的產生多諧波信號的多 諧振蕩器電路。在VCC端給其一個5V直流電源。接通電源后，電容 C充電。 充電回路是 VCC-R1-R2- C地，當Vc上升到2Vcc/3時，Vo為低電平， 同時T導通。止匕時 C通過R2和T放電，放電回路為 CR2T地，按指數規律下降，當下降到Vc<Vcc/3時，輸出翻轉為高電平，放電管 T截止，電容再次充電，如此周而復始，產生振蕩，經分析可得輸出高電平時間T=(R1+R2)Cln2 輸出低電平時間 T=R2Cln2振蕩周期 T=(R1+2R2)Cln2設計要1

29、00Hz,通過公式已在本報告 4.2小節算出振蕩頻率，并且符合 設計要求。5.2.2 數顯電路與邏輯控制電路原理由振蕩電路產生脈沖傳給數字顯示回路中的U10A的cp1端，cp1端置高電平，4518BD開始累加。但是當開關A沒有按下時，邏輯控制電路輸出端U2B始終是高電平。只有當開關J1按下時U2A輸出端置1, U2C輸出端也置1。U2B為與非門輸出低電平，所以 4518芯片MR置0,結束清零，相當于解除自鎖功能。4518BD開始累加，4518芯片是一種十進制累加芯片。為了達到0-99計時，直接置 U10A、B的A、D端為高電平。通過穩壓 二極管來起到99后自鎖功能。最后一個要求就是當按下 J2

30、以后，則7端為低電平，發出脈沖到 U2B,而5和 6輸出低電平到與非門 U2A, U2A輸出高電平到 U2B,此時0和1輸入到與非門U2B ,繼 而U2B輸出高電平，MR收到高電平后清零。此時如果再按下 J1可重新開始計時。6 .課程設計感受6.1 課程設計中的收獲和體會通過本次數電：數字式定時器的設計，讓我對已學過的電路、數電、模電等電子技術的知識有了更深一步的了解，同時也對Multisim 10.0軟件有了一定的學 習和了解，NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件。作為 Windows下運行的個人桌面電子設計工具，NI Multisim是一個完整的集成化設計環境。NI Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理 論教學與實際動手實驗相脫節的這一問題。 我們可以很方便地把剛剛學到的理論 知識用計算機仿真真實的再現出來，并且可以用虛擬儀器技術創造出真正屬于自 己的儀表。NI Multisim軟件絕對是電子學教學的首選軟件工具。這次課程設計 鍛煉和培養了自己利用已學知識來分析和解決實際問題的能力，對自己以后的學習和工作有很大的幫助。剛開始做這個設計的時候感覺自己什么都不知道怎